特种陶瓷的概述

特种陶瓷概述

10机电一体化3班xxx 指导老师xxx

摘要：本文回顾了陶瓷材料的发展历史，着重评述了特种陶瓷如工程结构陶瓷、生物陶瓷、功能陶瓷等的发展现状，并展望了特种陶瓷的未来发展。

关键词：特种陶瓷、分类、应用、发展及其新动向

1 前言

信息技术、能源和材料是现代文明的三大支柱，材料是人类生产活动和生活必须的物资基础。从现代科学技术发展史可以看到，每一项重大的新技术发现，往往都有赖于新材料的发展。随着能源开发、空间技术、激光技术、传感技术等新技术的出现，现有的一般用途的材料已难以满足要求，开发和有效利用高性能材料和功能材料开始引人瞩目。陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特点，因而成为新材料的发展中心。

2 特种陶瓷的定义及分类

特种陶瓷(special ceramics)又叫精细陶瓷(fine ceramics)、先进陶瓷(advanced ceramics)、高技术陶瓷(high-technology ceramics)、或高性能陶瓷(high-performance ceramics)。一般认为，特种陶瓷是“采用高精度的原材料，具有精确控制的化学组成、按照便于控制的制作技术加工的、便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷”。它的出现与现代工业忽然高技术密切相关。近20年来，由于冶金、汽车、能源、生物、航天、通信等领域的发展对新材料的需要陶瓷材料在国内外已经逐步形成了一个新兴的产业。而特种陶瓷在许多方面都突破了传统陶瓷的概念和范畴，是陶瓷发展史上的一次革命性的变化。

特种陶瓷按照显微结构和基本性能，可分为结构陶瓷、功能陶瓷、智能陶瓷、纳米陶瓷和陶瓷基复合材料。

结构陶瓷：用于高压高温、抗辐射、抗冲击、耐腐蚀、耐磨等环境下的陶瓷材料，可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。

功能陶瓷：具有接受特殊敏感功能的陶瓷制品，可分为电功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷。

智能陶瓷：能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型陶瓷材料，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流陶瓷。

纳米陶瓷：晶粒或颗粒处于纳米范围(1-100nm)的陶瓷，包括纳米陶瓷粉体、纳米陶瓷纤维、纳米陶瓷薄膜、纳米陶瓷块体。

陶瓷基复合材料：由陶瓷基体和增强体所组成的复合材料，其性能比单一材料的性能优越。初具有陶瓷的高强度、高硬度，良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等特点外，还使陶瓷的韧性大大提高，强度和模量也有一定提高。主要有纤维增强、晶须增强、颗粒增强陶瓷基复合材料。

根据陶瓷的性能，吧它们分为高强度陶瓷、高温陶瓷、高韧性陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电解质陶瓷、半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷（既透明陶瓷）、磁性瓷、耐酸陶瓷和死亡陶瓷。

按照化学组成划分有：

1、氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、

二氧化钍、三氧化铀等。

2、氮化物陶瓷：氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀等。

3、碳化物陶瓷：碳化硅、碳化硼、碳化铀等。

4、硼化物陶瓷：硼化锆、硼化镧等。

5、硅化物陶瓷：二硅化钼等。

6、氟化物陶瓷：氟化镁、氟化钙、三氟化镧等。

7、硫化物陶瓷：硫化锌、硫化铈等。

其它还有砷化物陶瓷，硒化物陶瓷，碲化物陶瓷等。

除了主要由一种化合物构成的单相陶瓷外，还有由两种或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。例如，由氧化铝和氧化镁结合而成的镁铝尖晶石陶瓷，由氮化硅和氧化铝结合而成的氧氮化硅铝陶瓷，由氧化铬、氧化镧和氧化钙结合而成的铬酸镧钙陶瓷，由氧化锆、氧化钛、氧化铅、氧化镧结合而成的锆钛酸铅镧（PLZT）陶瓷等等。此外，有一大类在陶瓷中添加了金属而生成的金属陶瓷，例如氧化物基金属陶瓷，碳化物基金属陶瓷，硼化物基金属陶瓷等，也是现代陶瓷中的重要品种上。

近年来，为了改善陶瓷的脆性，在陶瓷基体中添加了金属纤维和无机纤维，这样构成的纤维补强陶瓷复合材料，是陶瓷家族中最年轻但却是最有发展前途的一个分支。

3 特种陶瓷的制作工艺

原料粉体的调整——成型——烧结——加工——成品

1.精细陶瓷粉体的制备

（1）机械法

滚动球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等

（2）合成法

固相合成法、液相合成法、气相合成法

2.成型

（1）注浆法（2）压制法（3）可塑法

3.精细陶瓷的烧结

烧结是指生坯在高温加热时发生的一系列物理化学变化，并使生坯体积收缩，强度、密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某种显微结构烧结体的过程。

4 特种陶瓷的应用

特种陶瓷由于化学成分、结构的特点，使其具有良好的特性，通常具有一种或多种功能。被广泛的应用在电子技术、计算机技术、空间技术、能源工程等高、精、尖科技领域。以下是特种陶瓷在汽车上的应用：

一、陶瓷汽车发动机上应用

新型陶瓷碳化硅氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用氧化铝陶瓷相比，强度其三倍以上，能耐1000摄氏度以上高温，新材料推进了汽车上新用途开发。采用新型陶瓷涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越耐热性，而比重却只有金属涡轮约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低缺点。其他正进行研究有：采用新型陶瓷活塞销活塞环等运动部件。由于重量减轻，发动机效率可望得到提高。

二、特种敏感陶瓷汽车传感器上应用

对汽车用传感器要求能长久适用于汽车特有恶劣环境（高温、低温、振动、加速、潮湿、。声、废气），并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜优良电磁、光学机能，近年来随着制造技术进步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成传感器完全能够满足上述要求。

三、陶瓷汽车制动器上应用

对汽车用传感器要求能长久适用于汽车特有恶劣环境（高温、低温、振动、加速、潮湿、。声、废气），并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜优良电磁、光学机能，近年来随着制造技术进步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成传感器完全能够满足上述要求。

四、陶瓷汽车减振器上应用

高级轿车减振装置综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应电致伸缩效应研制成功智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件，这种减振器具有识别路面且能做自我调节功能，可以将轿车因粗糙路面引起振动降到最低限度。

五、陶瓷材料汽车喷涂技术上应用

近年来，航天技术广泛应用陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术优点□热效果好、能承受高温高压、工艺成熟、质量稳定。为达到低散热目标，可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂，如活塞顶喷氧化锆，缸套喷氧化锆。经过这种处理发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗量。

六、智能陶瓷材料汽车应用

作为特种陶瓷产品分类智能陶瓷材料，其包括汽车制造使用对环境敏感且能对环境变化作出灵敏反应材料，目前已成为材料科学及工程领域研究焦点。

汽车减震装置：利用智能陶瓷产品正压电效应、逆压电效应研制出智能减震器，具有识别路面并自我调节功能，可将粗糙路面对汽车形成震动减到最低限度，整个感知与调节过程只需要20秒。另外，采用智能陶瓷材料制成减震装置还可以推广应用汽车产品之外领域，如使用到精密加工稳固工作平台等。

汽车智能雨刷：利用钛酸钡陶瓷压阻效应制成智能陶瓷雨刷，可以自动感知雨量，自动将雨刷调节到最佳速度。

汽车有源消声陶瓷材料：由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈数字信号处理集成电路组成有源消声陶瓷材料，可把汽车震动频率降低到500赫兹以下。

此外，还可以利用智能陶瓷材料开发出智能安全系统与智能传输系统，如安全气囊，也使用了智能陶瓷元件。

现代智能陶瓷材料开发研究与市场，已经处方兴未艾时期，同时它应用已经不仅限于汽车工业，而且对造船、建筑、机械、家电、航天、国防等工业领域产生重要影响，将大大提高各类机械与电子产品智能与自动化水平。

5特种陶瓷的发展前景

陶瓷制品生产在中国历史悠久，经过长期的发展，制造工艺得到不断发展。特别是近二十年来，陶瓷制品结构的合理调整，迎合了国内外消费者的消费需求，并随着社会的发展和生活水平的提高，在生活中的应用范围越来越广。

在全球金融危机的笼罩下，国内各行业普遍受到影响，但国家总共5万亿元的基础建设投资计划对于建筑建材行业在较长一段时间内将极大的推动作用，特别是对于建材行业拉动十分明显，从行业前景来看，建材行业在此次此次金融危机拥有较大的优势。目前建材行业景气度持续，未来行业集中度有望提高。由于我国目前固定资产投资依然保持高位运行——虽然投资增速回落较快的可能是房地产投资和工业投资，但是基础设施建设投资对水泥等建材需求的拉动依然很明显。

参考文献

《陶瓷材料学》第二版周玉编著雷延全主审科学出版社

《陶瓷材料导论》曹茂盛、李大勇等主编哈尔滨工程大学出版社